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物理 高校生

高校生物理基礎の問題です 赤枠で囲った問題の解説にある 三つの 0 はそれぞれ何エネルギーが 0 であることを示しているのか教えてください。

第5章■仕事と力学的エネルギ リード] D 110 保存力以外の力の仕事 図のように床と斜面 がつながれている。 床のAB間はあらいが、他はなめら かである。 床の一部分にばね定数kのばねをつけ, 一端 に質量mの物体を押しあてて、 ばねを縮めた。 AB間 の物体と床との間の動摩擦係数をμ',距離をS, 重力加速度の大きさをgとする。 (1) ばねを解放したとき, 物体が点Aに達する直前の速さを求めよ。 Ammun B (2) 物体は点Bを通過後,斜面を上り, 最高点Cに達した。 Cの床からの高さんを求めよ。 もどってきた物体がばねを縮めた。ばねの最大の縮みxを求めよ。 →例題 24,113 応用問題 112 仕事と運動エネルギー■ 質量2.0kgの物体が, なめらかな水平面のx軸上の原点Oを速さ3.0m/sで通過 した瞬間から,速度の方向を含む鉛直面内で一定の角0だ け上向きに力F [N] を加えた。 力Fの大きさは移動ととも に右のグラフのように変化する。 また, cos0=0.80 とす る。 111 力学的エネルギーの保存 ばね定数k [N/m] の軽いつる 巻きばねの一端を固定し、他端に質量m[kg] のおもりをつるして, おもりを下から手で持った台で, ばねが自然の長さになるように支 える。 重力加速度の大きさをg[m/s'] とする。 (1) 台をゆっくりおろしていくとき, x [m] だけ下がった位置で台 がおもりを支える力の大きさ F [N] を求めよ。 (2) おもりが台から離れるときのばねの伸びx] [m] を求めよ。 つりあい (3) はじめの状態で台を急に取り去った場合, 最下点でのばねの伸びx2 [m] を求めよ。 (4) おもりの最下点について, x1 と x2 の差が生じた理由を述べよ。 ➡115 (1) 力Fが物体にした仕事Wは何Jか。 (2) 物体が x=10m の点を通過する瞬間の速さは何m/s か。 0 F[N] 8.0 2.0 0 mmmmmm 10m 自然の長さ CQ 10 lllllllllll h ■■ ■■ x (m) -102 ヒント 112 カFの分力 Fcose のみが仕事をする。 (F-x 図の面積) × cos0が,Fのした仕事となる。 てい mi と 放した の 化を Imgs 111 112 ここがポイント 軽いつる巻きばねなのでばね自身の重さは無視できる。 これはばねを縦につるしても、おもりを取 りつけなければばねは伸びないということである。 (1) おもりを支えながら台をおろしていく場合、 おもりは台が上向きに支える力によって仕事をされ、 力学的エネルギーは保存されない。 (1) 台をゆっくりおろしているので, おもりは等速運 動をしている。 よって, おもりにはたらく力はつ りあっている (おもりにはたらく力の合力は0であ る) から,上向きを正として, aより力のつり あいの式はkx+F-mg=0 ゆえに F=mg-kx [N] (2) 台がおもりを支える力が0になるとおもりは台か ら離れる。 (1) の結果において, x=xのとき F0 となるから (3) 台を急に取り去った場合、 おもりには保存力である重力とばねの弾性力のみがはたらくので、力学 的エネルギーは保存される。 0-mg-kx₁ よって mg - [m] (3) 自然の長さの位置を基準水平面とする(図5)。 はじ めの位置と最下点での力学的エネルギー保存則より 0+0+0=0-mgx2+ 100 0=-—-kx (x₂-2mg) 0皿 2mg k 0より [m] (4) 台をゆっくりおろしていく場合は、おもりを支え る力によって負の仕事をされ力学的エネルギーが 減少するが, 台を急に取り去った場合は力学的エ ネルギーが保存されるため。 -xcos 0 自然の 長さ 2.0 第5章■仕事と力学的エネルギー ばねの 0 はじめ 水平面 図b mg 解答 (1) 力Fが物体にした仕事を W [J] とす F(N) 4 ると, F-x 図の面積より 18.0 W= (2.0+8.0)×10 2 cos0=0.80 であるから W=40J 10 (2) x=10mでの物体の速さを [m/s] とすると, 物体の運動エネルギー の変化は、物体にされた仕事に等しいので「1/12m-1/2m -mv² =W₁ よ り 1/23×2.0 × -/1/3×2.0×3.0°=40 Cheeeeeeeeee よってv=7.0m/s 最下点 ここがポイント 力の大きさが変化するので 「W=Fxcose」 の式にFの値を代入することはできない。 力Fの分力 Fcos0 のみが仕事をするので, (F-x 図の面積) × cos0 が F のした仕事となる。 また、物体の運動エネルギーの変化 = 物体にされた仕事の関係が成りたつ。 51 「ゆっくり」 とは 「力のつ りあいを保ちながら」という ことである。 2 (2)の結果と比べると2 信伸びていることがわかる。 したがって, おもりはつりあ いの位置を中心に はじめの 位置を最上点, ばねの伸び の位置を最下点として振動す る。 @__mv²+W= 2mo (はじめ+仕事終わり) を用いてもよい。

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物理 高校生

【物理】 答える際に、「右向き」などをつける時とつけない時の違いはなんですか? どちらからも引っ張っている時はつけるのが普通だと思うのですが、普通の問題で書く理由がわからないです。 回答よろしくお願いします!

例題2 図の台車の加速度を求めよ。 5.02.0kg 12.0N 解 台車には重力Wと垂直抗力Nもはたらいて いるが、台車は水平面上で運動するから、鉛直方 向の重力と垂直抗力とはつり合っていると考えら れる(図1)。 よって、図2のように、台車にはた らく合力は、 右向きを正とすると F = 12.0N-5.ON = 7.0N ma=F (5) 台車の加速度を求めよ。 右向きを正をする ma=Fより £= 4N m= a=m (6) 台車の質量を求めよ。 =560=0.8m/5² F-15N a 0.75m15²² =20kg 16.0N 305 4.0kg_ 15kgn4N 例題 3 図の台車の加速度を求めよ。 解 引く力の鉛直成分と水 平成分は右下図のようになる。 2.0kg円 台車は水平面上で運動するか ら鉛直方向の力はつり合っ ている。 (N +3.0N-W = 0) 右向きに0.8m/s² (9) 台車の加速度をそれぞれ求めよ。 ⇒0.75m/s² ISN = 3,05 N E 3,0BN m 4.0kg 右向に1.3m15² 右向きを正をする。台車を引く力の 水平方向の成分は、 Fx=Fcos30°= 6.0N²² ≒3m15² 6.ON 1.30 3.ON 2 p 3.0.3 N 30° ① (図1) よって運動方程式=Fより, F 7.ON 2.0kg M -=3.5m/s² = a= ===6.0N 40kg a= (7) 台車にはたらく力の大き さを求めよ。 □F=1.5kg×3.0m/5² =45N (8) 台車の加速度を求めよ。 台車にはたらく合力は右向きを 正をすると、 4.0N+(-10.ONE-6.0N 2.5kg 10N 145° a = 3.0 EN (図2), m 2.5kg CADA よって、台車にはたらく力の合力は引く力の水平方 向成分 3.0√3Nである。 ma=Fより、 m/s² Fx=Fcos 45°=10NX 50 = 2.6 m/s² 右向きに3.5m/s² = (3.0x¹₂,73) m/s² 13.0×12.0 TON =2.82m15 ≒2.8m/5² 右向に2.8m/s² 1.5k =-1150/52 F 3.0 √3N 3.0√3 2.0kg 772 2,0 IO ON 4.0kg4.0N 3.0m/s² a= 左向きに 1.5m/s^ 右向きに 2.6m/s² 28.0N 30° 5.ON 5.0kg Fx=Fcos30°=8,0N×3 =4.0N よって台車にはたらく力は (5.0-4.05) N € (5,0-for-3) N 5.0kg 左向きに0.38mcs² =-0.380

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